运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统

摘要

本发明在于提供一种无需使用网关的运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统。其技术手段为：智能工业物联网系统能连接感知装置及运动装置，其包括具有I/O模块、通讯模块、感知数据库、运动数据库、边缘运算模块及第一MQTT数据模块的可程序逻辑控制器；具有MQTT代理人、大数据模块、人云可视化数据库及人云操控数据库的云端服务器；以及具有人云可视化接口程序、人云操控接口程序及第二MQTT数据模块的远程装置；且三者之间通过网络连接。本发明不需建构网关及网通设备，建置成本低、施工期短、维护容易、电力消低、通讯速度更快速，能双向多对多传输，稳定地同步实时处理，且可靠极高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业、工业产品和服务的智能企业整合架构，尤指一种运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统。

背景技术

第四次工业革命，或称工业4.0，最早是一个德国政府提出的高科技计划，主要精神是连接与优化，连接制造相关元素，进行优化，以增进企业竞争力与获利；目前日本厂商工业4.0的目标，重点在追求“零停机、零待料”，而德国工业4.0的目标，则是在相同成本下，达到经济批量为1的“最大客制化”生产弹性。

在工业4.0中，IIoT是网络实体系统和生产流程经由大数据及分析进行转型不可或缺的部分。

IIoT，也就是工业物联网，是指物联网(IoT,Internet of Thing)在工业应用的扩展和使用；IIoT专注于机器对机器(M2M)通讯、大数据以及机器学习(Machine learning,ML)，让工业运作有更高的效率和可靠性；IIoT涵盖了整个工业应用，包括了机器人、医疗设备和软件定义生产流程。

来自传感器和其他数据源的实时数据能够协助工业设备和基础设施进行决策，提出见解及具体行动；机器可以进一步地接手并自动化先前工业革命无法处理的任务；在更广泛的背景里，IIoT对于联网生态系或环境相关的使用情境来说相当重要，如何打造城市成为智慧城市或是如何让工厂转型成智能工厂。

IIoT超越IoT常见的一般消费者装置及实体装置网络互联；让它不一样的是信息技术(IT)和营运技术(OT)的交叉。OT指的是营运流程和工业控制系统(ICS)的网络，包括人机接口(HMI)、监控和数据采集(SCADA)系统、分布式控制系统(DCS)和可程序化逻辑控制器(PLC)。

目前实际运用的传统工业物联网通讯网络架构400，其主要架构，就如图1所示，传感器401会与I/O搜集网关402、第一IIOT通讯网关403、传统I/O模块404及工业通讯网关405连接，所述I/O搜集网关402和所述第一IIOT通讯网关403还连接至边缘运算服务器409，所述传统I/O模块404还连接至PLC CPU模块407，所述工业通讯网关405还连接至传统通讯模块406，所述传统通讯模块406还连接至所述PLC CPU模块407，所述PLC CPU模块407还连接至第二IIOT通讯网关408，所述第二IIOT通讯网关408还连接至所述边缘运算服务器409，所述边缘运算服务器409还连接至边缘网关410，最终所述边缘网关410连接至云端系统411。

从上述的说明中，能了解到传统工业物联网通讯网络架构400的大致架构，问题就在于边缘网关410，网关硬件建构的成本高，而且虽然上述说明与图中，并未揭示，但是网关在使用时，还需要网通设备来协助网关进行通讯连接，网通设备不但建置成本高，重复的网络布线，更是提高了建置成本高，拉长了施工期，建置完成后，维护管理上困难度偏高，连带的维护及人力成本居高不下，营运时，因为网关和网通设备，电力能源消耗大，营运成本会被拉高，也不环保。

而其中最大的问题，网关在使用时，会造成降低网络封包传输速率、导致通讯速度慢，更会限制网络封包传输方向、导致仅能单向一对一传输，并容易遗失网络封包传输数据、导致无法可靠的同步实时处理。

有鉴于此，如何提供一种能解决前述问题的运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统，便成为本发明欲改进的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需使用网关的运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统。

本发明正是为了解决上述问题而研发的，为达到本发明的目的，本发明的技术手段是这样实现的，为提供一种运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统，所述智能工业物联网系统能连接至少一感知装置及至少一运动装置，其特征在于：所述智能工业物联网系统，其包括有至少一可程序逻辑控制器、至少一云端服务器及至少一远程装置；所述可程序逻辑控制器，其具有至少一I/O模块、至少一通讯模块、一感知数据库、一运动数据库、一边缘运算模块及一第一MQTT数据模块，所述I/O模块与所述通讯模块，其两者分别与相应的所述感知装置、所述运动装置连接，所述感知数据库与所述运动数据库，其两者分别与相应的所述I/O模块、所述通讯模块连接，所述边缘运算模块分别与所述感知数据库、所述运动数据库连接，所述第一MQTT数据模块与所述边缘运算模块连接，并还通过网络与所述云端服务器连接；所述云端服务器，其通过网络与所述可程序逻辑控制器连接，并至少具有一MQTT代理人、一大数据模块、一人云可视化数据库及一人云操控数据库，所述MQTT代理人通过网络与所述第一MQTT数据模块连接，所述大数据模块与所述MQTT代理人连接，所述人云可视化数据库与所述人云操控数据库，其两者皆分别与所述MQTT代理人、所述大数据模块连接，并还通过网络与所述远程装置连接；所述远程装置，其通过网络与所述云端服务器连接，并至少具有一人云可视化接口程序、一人云操控接口程序及一第二MQTT数据模块，所述人云可视化接口程序与所述人云操控接口程序，其两者分别与所述第二MQTT数据模块连接，所述第二MQTT数据模块，其通过网络与所述MQTT代理人连接，并还通过所述MQTT代理人与所述人云可视化数据库与人云操控数据库同时连接。

更优选的是，所述边缘运算模块，其还包括有一边缘运算程序及一边缘运算数据库，所述边缘运算程序分别与所述感知数据库、所述运动数据库连接，所述边缘运算数据库分别与所述边缘运算程序、所述第一MQTT数据模块连接；所述第一MQTT数据模块，其还包括有一第一转换程序、一第一MQTT数据库、一第一订阅程序及一第一发布程序，所述第一转换程序与所述边缘运算数据库连接，所述第一MQTT数据库与所述第一转换程序连接，所述第一订阅程序分别与所述第一MQTT数据库、所述MQTT代理人连接，所述第一发布程序分别与所述第一MQTT数据库、所述MQTT代理人连接；所述大数据模块，其还包括有一大数据运算程序及一大数据数据库，所述大数据运算程序与所述MQTT代理人、所述大数据数据库连接，所述大数据数据库分别与所述人云可视化数据库、所述人云操控数据库连接；所述第二MQTT数据模块，其还包括有一第二转换程序、一第二MQTT数据库、一第二订阅程序及一第二发布程序，所述第二转换程序分别与所述人云可视化接口程序、所述人云操控接口程序连接，所述第二MQTT数据库分别与所述第二转换程序、所述第二订阅程序及所述第二发布程序连接，所述第二订阅程序还与所述MQTT代理人连接，所述第二发布程序还与所述MQTT代理人连接。

更优选的是，所述云端服务器，其还至少包括有能与所述大数据模块连接的机械学习模块、人工智能模块其中至少之一。

更优选的是，所述机械学习模块，其还包括有一机器学习分析运算程序及一机器学习数据库，所述机器学习分析运算程序与所述大数据数据库连接，所述机器学习数据库分别与所述机器学习分析运算程序、所述人云可视化数据库及所述人云操控数据库连接；所述人工智能模块，其还包括有一人工智能决策运算程序及一人工智能数据库，所述人工智能决策运算程序与所述大数据数据库连接，所述人工智能数据库分别与所述人工智能决策运算程序、所述人云可视化数据库及所述人云操控数据库连接。

更优选的是，所述云端服务器，其同时包含有所述机械学习模块与所述人工智能模块时，所述人工智能决策运算程序还与所述机器学习数据库连接，以通过与其连接的所述机器学习分析运算程序，与所述大数据数据库产生连接。

更优选的是，所述可程序逻辑控制器、所述云端服务器及所述远程装置之间，所应用的通讯协议，为应用MQTT通讯协议。

更优选的是，所述远程装置，其为一智能眼镜。

与现有技术相比，本发明的效果如下所示：

第一点：本发明智能工业物联网系统，利用可程序逻辑控制器、云端服务器及远程装置的配合，达到能虚实整合的效果，有效融合信息科技、操作科技与通讯科技，并进一步结合开放式据数平台，形成智能企业整合架构，据以连接云端及数据分析应用，有效迈进到工业4.0核心目标，与传统工业物联网通讯网络架构相比，不需要建构网关硬件及协助网关硬件通讯连接的网通设备，无须重复网络布线，省下一定的建置成本，施工期能被缩短，同时，维护管理困难性下降，维护及人力成本亦降低，此外，电力能源消耗也能降低，不但能精简营运成本，还兼顾了环保，最重要的是，通讯速度能更快速，实现双向多对多传输，稳定地同步实时处理，且可靠极高。

第二点；本发明智能工业物联网系统，应用了神经网络架构概念，所谓的感知装置就是各种输入设备，如各种传感器，而所谓的运动装置就是各种输出装置，也就是如继电器、油压缸、气缸、机械手、电动机、控制阀AGV车、输送带等，避免收集不到足够数据，还让数据能获得有效的应用，并解决无法实时反馈到现场的问题。

附图说明

图1为传统工业物联网通讯网络的简单架构示意图。

图2为本发明的简单架构示意图。

图3为本发明第一实施例的整体架构示意图。

图4为本发明第一实施例使用于观测感知装置数据的架构实施示意图。

图5为本发明第一实施例使用于操作运动装置时的架构实施示意图。

图6为本发明第二实施例的整体架构示意图。

图7为本发明第三实施例的整体架构示意图。

图8为本发明第四实施例的整体架构示意图。

附图标记说明：

1 可程序逻辑控制器 262 人工智能数据库

11 I/O模块 3 远程装置

12 通讯模块 31 人云可视化接口程序

13 感知数据库 32 人云操控接口程序

14 运动数据库 33 第二MQTT数据模块

15 边缘运算模块 331 第二转换程序

151 边缘运算程序 332 第二MQTT数据库

152 边缘运算数据库 333 第二订阅程序

16 第一MQTT数据模块 334 第二发布程序

161 第一转换程序 10 网络

162 第一MQTT数据库 100 智能工业物联网系统

163 第一订阅程序 200 感知装置

164 第一发布程序 300 运动装置

2 云端服务器 400 传统工业物联网通讯网络架构

21 MQTT代理人 401 传感器

22 大数据模块 402 I/O搜集网关

221 大数据运算程序 403 第一IIOT通讯网关

222 大数据数据库 404 传统I/O模块

23 人云可视化数据库 405 工业通讯网关

24 人云操控数据库 406 传统通讯模块

25 机械学习模块 407 PLC CPU模块

251 机器学习分析运算程序 408 第二IIOT通讯网关

252 机器学习数据库 409 边缘运算服务器

26 人工智能模块 410 边缘网关

261 人工智能决策运算程序 411 云端系统。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图2至图5所示，图中揭示出，为本发明第一实施例，是一种运用双向通道类神经网络架构的智能工业物联网系统，所述智能工业物联网系统100能连接至少一感知装置200及至少一运动装置300，所述智能工业物联网系统100，其包括有至少一可程序逻辑控制器1、至少一云端服务器2及至少一远程装置3；所述可程序逻辑控制器1，其具有至少一I/O模块11、至少一通讯模块12、一感知数据库13、一运动数据库14、一边缘运算模块15及一第一MQTT数据模块16，所述I/O模块11与所述通讯模块12，其两者分别与相应的所述感知装置200、所述运动装置300连接，所述感知数据库13与所述运动数据库14，其两者分别与相应的所述I/O模块11、所述通讯模块12连接，所述边缘运算模块15分别与所述感知数据库13、所述运动数据库14连接，所述第一MQTT数据模块16与所述边缘运算模块15连接，并还通过网络10与所述云端服务器2连接；所述云端服务器2，其通过网络10与所述可程序逻辑控制器1连接，并至少具有一MQTT代理人21、一大数据模块22、一人云可视化数据库23及一人云操控数据库24，所述MQTT代理人21通过网络10与所述第一MQTT数据模块16连接，所述大数据模块22与所述MQTT代理人21连接，所述人云可视化数据库23与所述人云操控数据库24，其两者皆分别与所述MQTT代理人21、所述大数据模块22连接，并还通过网络10与所述远程装置3连接；所述远程装置3，其通过网络10与所述云端服务器2连接，并至少具有一人云可视化接口程序31、一人云操控接口程序32及一第二MQTT数据模块33，所述人云可视化接口程序31与所述人云操控接口程序32，其两者分别与所述第二MQTT数据模块33连接，所述第二MQTT数据模块33，其通过网络10与所述MQTT代理人21连接，并还通过所述MQTT代理人21与所述人云可视化数据库23与人云操控数据库24同时连接。

其中，通过可程序逻辑控制器1、云端服务器2及远程装置3的配合，构成本发明智能工业物联网系统100，与如图1所示的传统工业物联网通讯网络架构400相比，运用了双向通道类神经网络架构，能在毫秒级的时间内同步，利用可程序逻辑控制器1来取代传统工业物联网通讯网络架构400中的网关，同时也能去除协助网关的网通设备，如此一来，不但需要重复网络布线，整体的建置成本也能降低，施工期还能缩短，后期的维护及人力成本也能降低，装置简化的结果，连带的电力能源消耗也会下降，无遗的会更加环保。

其次，因为可程序逻辑控制器1的应用，便能拥有高网络封包传输速率、通讯速度更快速，还无网络封包传输方向限制、可双向多对多传输，更无网络封包传输数据遗失的问题、可靠稳定同步实时处理。

再者，本发明智能工业物联网系统100，能做到四去：去操作系统化，达到防系统病毒骇入、免系统建构成本及免系统维护更新；去图控软件化，达到免硬件建构成本、免系统建构成本、免软件维护更新及防系统病毒骇入；去网关化，达到免硬件建构成本、改善传输速率及改善单向传送；去伺服架构化，达到免机房建构成本、免伺服建构成本及免IT维护更新；虚实整合，融合信息、操作与通讯科技，确实达到工业4.0的核心目标。

再其次，通过可程序逻辑控制器1的应用，能便于配合工厂使用，容易应用设置与维护，且故障率低，应用范围广泛，同时还能让本发明智能工业物联网系统100自主搜集数据，不用担心会发生数据量不足、数据误漏、数据不适配等等的问题。

另外，因为运用了双向通道类神经网络架构，参阅图4，可程序逻辑控制器1以如数字输入模块、模拟输入模块、温度量测模块、电力量测模块等I/O模块11、和如RS-232通讯模块、RS-485通讯模块、EtherNet通讯模块、CANOpen通讯模块、PROFIBUS通讯模块、RFID通讯模块、GPRS通讯模块等通讯模块12，从如压力传感器、温湿度传感器、温度传感器、流量传感器、液位传感器、超声波传感器、浸水传感器、照度传感器、差压变送器、加速度传感器、位移传感器、称重传感器、工业相机等感知装置200，其所获取的海量数据，能先储存到感知数据库13，配合边缘运算模块15及第一MQTT数据模块16，快速地通过网络10传输到云端服务器2的MQTT代理人21处，经过大数据模块22配合人云可视化数据库23的数据探勘处理，再通过网络10使得在远程应用远程装置3的用户，在第二MQTT数据模块33接收处理自MQTT代理人21所传递来的数据，并能以人云可视化接口程序31，让用户在远程就能实时的得知当前状况为何，而且因为双向同步的作用，也让在远程的使用者，在了解状况后，参阅图5，能利用远程装置3的人云操控接口程序32，经过第二MQTT数据模块33，回传资料到MQTT代理人21，同样经过大数据模块22配合人云操控数据库24的处理，再回传至第一MQTT数据模块16处理，配合边缘运算模块15，再将数据传至运动数据库14，以如数字输出模块、模拟输出模块、脉冲输出模块等I/O模块11，和如RS-232通讯模块、RS-485通讯模块、EtherNet通讯模块、CANOpen通讯模块、PROFIBUS通讯模块、RFID通讯模块、GPRS通讯模块等通讯模块12，传达到如继电器、油压缸、气缸、机械手、电动机、控制阀AGV车、输送带等运动装置300，整个过程中，除去使用者的反应与思考时间，能做到接近实时的处理。

还有，通讯模块12在工作时，能根据通讯模块12的不同，应用相对的如RFID、GPRS、TCP/IP、CANOpen、CANBus、EtherCAT、EtherNet/IP、ModBus、ModBus TCP/IP、PROFINET、PROFIBUS等工业通讯协议。

再其次，上述内容中，可程序逻辑控制器1、云端服务器2及远程装置3之间，用来连接的网络10，泛指为因特网，能以有线及/或无线的方式实施。

本发明智能工业物联网系统100的应用实例一，能应用在智能建筑上，针对建筑的资源信息，包括电力、照明、空调、消防、门禁、空间、机柜、信息设备等，进行搜集与管理，将资源的使用优化，提升建筑营运效能。

本发明智能工业物联网系统100的应用实例二，能应用在马达的健康诊断上，利用可程序逻辑控制器1来对如震动传感器的感知装置200，进行数据收集，配合端服务器2，可了解重要设备和关键零件，当前运转条件下的运转状况与健康状态，并还能利用远程装置3及时警示目前操作条件不利因素与进行早期故障问题监测，将机械装置操作不利因素降低，达到有效提高零件寿命、避免工安意外发生、贯彻延寿计划精神、避免非预期性严重设备故障而导致昂贵的维修费用与营运损失等效果。

本发明智能工业物联网系统100的应用实例三，能应用在智能工厂上，利用可程序逻辑控制器1来对空调系统、电力监控系统、机台控制系统、门禁管制系统、防灾系统、监控模块、环境系统等感知装置200，进行数据收集，配合端服务器2，让用户能利用远程装置3，无论身在何处，都可以实时跟踪在生产过程中选择的KPI，在适当的时间，为合适的人员，提供闪光警报和通知，以警告操作中的任何讯息，还能随时随地使用简单的虚拟控件，与关键流程进行交互，加速对现场的维护。

请参阅图3，所述边缘运算模块15，其还包括有一边缘运算程序151及一边缘运算数据库152，所述边缘运算程序151分别与所述感知数据库13、所述运动数据库14连接，所述边缘运算数据库152分别与所述边缘运算程序151、所述第一MQTT数据模块16连接；所述第一MQTT数据模块16，其还包括有一第一转换程序161、一第一MQTT数据库162、一第一订阅程序163及一第一发布程序164，所述第一转换程序161与所述边缘运算数据库152连接，所述第一MQTT数据库162与所述第一转换程序161连接，所述第一订阅程序163分别与所述第一MQTT数据库162、所述MQTT代理人21连接，所述第一发布程序164分别与所述第一MQTT数据库162、所述MQTT代理人21连接；所述大数据模块22，其还包括有一大数据运算程序221及一大数据数据库222，所述大数据运算程序221与所述MQTT代理人21、所述大数据数据库222连接，所述大数据数据库222分别与所述人云可视化数据库23、所述人云操控数据库24连接；所述第二MQTT数据模块33，其还包括有一第二转换程序331、一第二MQTT数据库332、一第二订阅程序333及一第二发布程序334，所述第二转换程序331分别与所述人云可视化接口程序31、所述人云操控接口程序32连接，所述第二MQTT数据库332分别与所述第二转换程序331、所述第二订阅程序333及所述第二发布程序334连接，所述第二订阅程序333还与所述MQTT代理人21连接，所述第二发布程序334还与所述MQTT代理人21连接。

其中，通过边缘运算程序151配合边缘运算数据库152，让边缘运算模块15能有效率处理信息，减少事事上云端所带来的时间递延与数据传输/储存成本，配合本发明智能工业物联网系统100能实现高传输、低延迟的架构，让云端服务器2能真正地有效运作。

其次，通过第一转换程序161配合第一MQTT数据库162、第二转换程序331配合第二MQTT数据库332，处理MQTT数据，并应用第一订阅程序163、第二订阅程序333、第一发布程序164及第二发布程序334，让第一MQTT数据模块16、第二MQTT数据模块33能正常地订阅、发布运作，提供轻量、可靠、快速的通讯，且不需要太大的网络带宽便能运作。

再者，通过大数据运算程序221配合大数据数据库222，让大数据模块22能发挥作用，以对自可程序逻辑控制器1处搜集来的大量数据进行整理和分析，不断地改善本发明智能工业物联网系统100的运作效能，并减少问题发生的机会。

请参阅图6，为本发明第二实施例，所述云端服务器2，其还至少包括有能与所述大数据模块22连接的机械学习模块25。

上述中，所述机械学习模块25，其还包括有一机器学习分析运算程序251及一机器学习数据库252，所述机器学习分析运算程序251与所述大数据数据库222连接，所述机器学习数据库252分别与所述机器学习分析运算程序251、所述人云可视化数据库23及所述人云操控数据库24连接。

其中，通过机械学习模块25的投入应用，能配合大数据模块22，让自可程序逻辑控制器1处所收集而来的海量资料，能被机械学习模块25所应用，利用机器学习分析运算程序251将数据分析后存入机器学习数据库252，从数据中得到复杂的函数或样本，来学习以创造算法或一组规则，让机器从数据中学到如何预测或反应未来，使本发明智能工业物联网系统100能更智慧地运作，并且能自动完成数据的搜集，不用担心机械学习模块25会没有足够的数据来学习，而让机械学习模块25流于表面，机械学习模块25能真正地发挥作用。

请参阅图7，为本发明第三实施例，所述云端服务器2，其还至少包括有能与所述大数据模块22连接的人工智能模块26。

上述中，所述人工智能模块26，其还包括有一人工智能决策运算程序261及一人工智能数据库262，所述人工智能决策运算程序261与所述大数据数据库222连接，所述人工智能数据库262分别与所述人工智能决策运算程序261、所述人云可视化数据库23及所述人云操控数据库24连接。

其中，通过人工智能模块26的投入应用，能配合大数据模块22，让自可程序逻辑控制器1处所收集而来的海量数据，能被人工智能模块26所应用，利用人工智能决策运算程序261将数据分析后存入人工智能数据库262，让人工智能决策运算程序261有足够的数据，使决策算法能获得良好的运作，让本发明智能工业物联网系统100能更智慧地运作，并且还能自动完成数据的搜集，完全不用担心知识工程(Knowledge engineering)会有做的不够，而让人工智能模块26流于表面的状况发生，使人工智能模块26能真正地发挥作用。

请参阅图8，为本发明第四实施例，所述云端服务器2，其同时包含有所述机械学习模块25与所述人工智能模块26时，所述人工智能决策运算程序261还与所述机器学习数据库252连接，以通过与其连接的所述机器学习分析运算程序251，与所述大数据数据库222产生连接。

其中，通过机械学习模块25和人工智能模块26的同时实施，并利用上可程序逻辑控制器1来收集数据，使本发明智能工业物联网系统100能更有效率地、有智能地运作，机械学习模块25和人工智能模块26同时运作，藉使本发明智能工业物联网系统100能涵盖不同的应用范围，让本发明的应用范围更加广泛。

上述本发明第一至四实施例中，所述可程序逻辑控制器1、云端服务器2及远程装置3之间，所应用的通讯协议，为应用MQTT通讯协议。

其中，通过MQTT通讯协议的应用，让讯息内容能精简化，非常适合用于处理器资源及网络带宽有限的物联网装置，让可程序逻辑控制器1、云端服务器2、远程装置3之间的通讯能顺利、顺畅地运作。

上述本发明第一至四实施例中，所述远程装置3，其是为一智能眼镜。

其中，通过智能眼镜的应用，远程装置3能更便于应用，提供一种新的信息交互的方式，不用担心会有不便使用的问题发生，让屏幕上的虚拟世界，能够与现实世界场景进行结合与互动，最重要的是，能非常直觉化的使用，降低本发明在应用时的上手难度。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。